Борьба с ASIC: настоящее
и будущее майнинга криптовалют
Прошло больше шести лет с тех пор, как на рынке появились специализированные чипы для майнинга криптовалют — ASIC-майнеры. В сети Bitcoin и других блокчейн-системах эти устройства закончили эпоху майнинга на GPU, CPU и FPGA. Кроме прироста хешрейта и других плюсов специализированного оборудования, по мере развития ASIC-майнинга выявились проблемы. Началась «гонка вооружений»: создатели блокчейн-протоколов ищут способы противостоять ASIC-майнингу, а производители майнингового оборудования — возможность обойти хитрости разработчиков.
Чтобы составить картину мнений в сообществе, мы обратились к специалистам в области майнинга и оборудования. В подготовке материала нам помогали Алекс Петров, Андрей Великий, Джон Тромп, Дмитрий Зяблов и Матвей Сиворакша.
Спонсор спецпроекта — æternity — блокчейн-платформа третьего поколения для создания децентрализованных приложений и масштабируемых смарт-контрактов. Чтобы смарт-контракты в системе могли взаимодействовать с внешним миром, в æternity реализована система оракулов — специальных узлов, которые получают и верифицируют информацию извне блокчейна.
Масштабируемость приложений и смарт-контрактов в сети достигается за счет использования p2p-каналов состояний (state channels) — операция между сторонами обрабатывается в отдельном канале, а основной блокчейн работает как архив данных, к которому стороны обращаются в случае разногласий. Кроме того, в æternity работает система ончейн-управления, построенная на принципах «жидкой демократии» (liquid democracy).
В æternity задействован алгоритм PoW на базе Cuckoo Cycle, нацеленный на противодействие ASIC-майнингу. Разработчики также рассматривают возможность перехода на версию алгоритма, дружественную к ASIC.
Что такое ASIC?
ASIC (application-specific integrated circuit или интегральная схема специального назначения) — это интегральная схема (чип), созданная для выполнения одной задачи. ASIC применяются для аппаратной обработки аудио- и видеосигналов, управления элементами внутри мобильного телефона или космического аппарата, а последние несколько лет — и для майнинга криптовалют.
Более 60% выпускаемых микросхем — это ASIC. Они используются в MP3-плеерах, телефонах, навигационных системах, Wi-Fi и Bluetooth-устройствах.
— Алекс Петров, директор по информационным технологиям в Bitfury Group.
ASIC нельзя перепрограммировать — логика работы закладывается на этапе изготовления самого кристалла. Этим они отличаются от интегральных схем общего назначения вроде чипов CPU, GPU и FPGA. В результате ASIC-чипы лишаются ненужных для их задачи элементов. Готовая микросхема получается меньшего размера и потребляет меньше энергии в сравнении с неспециализированными аналогами.
Как узкоспециализированный инструмент, ASIC эффективнее выполняет задачу, чем устройство общего назначения. С другой стороны, ASIC не подойдет ни для чего другого, кроме этой задачи.
Концептуальная разница между ASIC и устройствами общего назначения аналогична разнице между специальной отверткой и универсальным швейцарским ножом. Болтик, хитро посаженный в глубине телевизора «Весна», можно открутить и швейцарским ножом, но длинная узкая крестовая отвертка справится с задачей эффективнее.
На рыбалке, где нужно резать, перекусывать и отковыривать, от такой отвертки будет мало толку.
Первая интегральная схема была запатентована в 1959 году. Ее создатель — Джек Килби, который на тот момент работал в Texas Instruments. Схема включала в себя один транзистор и вспомогательные компоненты, собранные на пластине из германия размером 1,6 на 11,1 см. В 2000 году за свою разработку Килби получил Нобелевскую премию по физике.
Первая интегральная схема, 1958 г.
Первые примеры ASIC появились ко второй половине 60-х годов, когда массовое производство интегрированных схем стало востребованным. Из-за растущей сложности чипов сроки производства растягивались на годы, что плохо согласовывалось с коммерческим применением устройств. В качестве решения IBM и Texas Instruments предложили два подхода к массовому изготовлению чипов: базовые матричные кристаллы (gate arrays) и стандартные ячейки (standard cell).
Базовые матричные кристаллы производились как пластины кремния с интегрированными транзисторами, затем, согласно спецификациям заказчика, добавлялись соединения. Использование базовых матричных кристаллов, которые нельзя перепрограммировать, — начало истории ASIC в современном представлении.
A3256 от Avalon Project. Источник.
BE100 «Block Erupter». Источник.
BF756C55 от «Bitfury». Источник.
Первые ASIC для майнинга — BE100 «Block Erupter», Avalon A3256 и Bitfury BF756C55 для алгоритма SHA-256 в Bitcoin — появились в 2012–2013 годах. Эти чипы сменили дорогостоящие FPGA — единственную на тот момент реальную альтернативу GPU-майнингу. С тех пор сменилось как минимум 7 поколений ASIC-майнеров для первой криптовалюты.
Как развитие ASIC-майнеров влияет на блокчейн-индустрию?
Как только майнить криптовалюту становится выгодно, возникает спрос на эффективное оборудование. Производители рады удовлетворить этот спрос. Так появляются специализированные устройства для майнинга, в частности — ASIC.
Снижает затраты энергии на единицу мощности
ASIC-майнеры тратят меньше времени и энергии на обработку одного и того же объема вычислений. При прочих равных в такой ситуации майнинг на ASIC можно назвать экологичнее, чем майнинг на видеокартах. С более эффективным устройством на добычу одного блока понадобится меньше электричества, генерация которого пока что вредит окружающей среде.
Однако массовое использование ASIC влечет за собой рост сложности вычислений: для добычи блока нужно провести больше операций и затратить больше электроэнергии.
При одинаковом хешрейте ASIC-майнинг потребляет меньше энергии и наносит меньше вреда экологии, чем GPU-фермы, но в реальной ситуации экологичность применения ASIC — спорный вопрос.
Приводит к централизации майнинга
На примере сети Bitcoin появление специализированных устройств для майнинга привело к росту сложности и консолидации мощности в руках нескольких крупных майнинг-пулов. В такой ситуации, помимо идеологических противоречий с представлениями Сатоши о децентрализации, возникает набор проблем.
Идеология производителя ASIC противоречит принципам децентрализации, ведь хешрейт по сути сосредоточен в «одних руках». PoW-майнинг на GPU позволяет среднестатистическому пользователю участвовать в добыче монет. Да, безусловно, это не отрицает построение промышленных майнинг-ферм на GPU, но даже в этом случае остается «длинный хвост» из частных майнеров.
— Андрей Великий, эксперт по майнингу и оборудованию.На момент подготовки материала пять крупнейших пулов в сети биткоина обеспечивают 55,4% мощности.
Распределение хешрейта
в сети Bitcoin. Источник.
В биткоине и других блокчейн-системах сложность майнинга зависит от того, насколько быстро майнеры находят блок. По сравнению с GPU и CPU специализированные майнеры на базе ASIC лучше решают PoW-головоломки и потому способны быстрее находить новые блоки.
Когда на рынке появляется модель ASIC для востребованной монеты, в сети начинает быстрее расти хешрейт, новые блоки появляются чаще, и алгоритм подстраивается под новые условия увеличением сложности майнинга. Майнинг на видеокартах и CPU становится менее рентабельным, часть пользователей теряет финансовую мотивацию создавать блоки. Как следствие, хешрейт в сети остается в руках меньшего числа игроков — степень централизации растет. С ростом централизации в сети растет риск «атаки 51%».
С другой стороны, нельзя судить о степени централизации системы по одной метрике. Хотя участники крупного пула следуют одинаковым инструкциям о том, что майнить и какие обновления поддерживать, каждый участник может влиять на решения пула или перейти в другой.
Большие пулы — это просто индивидуальные майнеры, объединившиеся для более эффективной работы. Большие майнеры и производители оборудования — как правило, долгосрочные инвесторы, их вложения делаются на год-полтора и более. В отличие от пользователей и трейдеров они не могут быстро выйти из своих позиций, им нужно работать больше года, чтобы окупить инвестиции и получить свои проценты. Сделав свою ставку, они заинтересованы в нормальной работе сети.
— Алекс Петров, директор по информационным технологиям в Bitfury Group.В то же время производитель майнингового оборудования, разработавший новый ASIC для популярной монеты, встает перед искушением использовать устройства до начала продаж.
Повышает шансы форка сети
Блокчейн-протоколы нужно обновлять, иначе нельзя устранить уязвимости или изменить параметры системы. Когда изменения касаются алгоритма PoW, специализированные ASIC рискуют стать бесполезными. Возникает конфликт интересов: разработчики хотят обновить систему, а владельцы ASIC заинтересованы в том, чтобы их оборудование осталось рентабельным. Майнерам с GPU не составит труда перейти на обновленный алгоритм, но с ASIC это практически невозможно. Если GPU-майнеры установят обновление, а ASIC-майнеры продолжат работать со старой версией, произойдет форк сети. Частые форки вредят репутации и капитализации сети.
Вовлекает блокчейн-проекты в «гонку вооружений» с производителями оборудования
Из-за проблем с централизацией и репутационных рисков разработчики блокчейн-проектов стремятся уйти от ASIC-майнинга. Производители оборудования заинтересованы в создании новых устройств для востребованных монет. В результате разработчики фокусируются на защите проекта от ASIC-майнинга и отвлекаются от основных задач.
Нет такой задачи, которую бы не решил человек, который действует ради прибыли. На основании опыта 2017–2018 годов прибыль от разработки нового ASIC-майнера для популярного алгоритма может составить сотни миллионов долларов.
— Дмитрий Зяблов, основатель BeeMiner.С другой стороны, и разработчики алгоритмов, и производители оборудования вынуждены постоянно совершенствовать продукты, чтобы поддерживать конкурентоспособность. Такие условия мотивируют технический прогресс.
Конкуренция между игроками — сильный стимул к оптимизации, которая снижает стоимость производства при росте качества. Это естественный и положительный процесс.
— Алекс Петров, директор по информационным технологиям в Bitfury Group.Несмотря на положительные эффекты применения специализированных устройств в блокчейн-индустрии, их общее влияние подталкивает блокчейн-проекты к борьбе с ASIC-майнингом.
Как блокчейн-проекты борются
с ASIC-майнингом?
Жизнеспособный индивидуальный майнинг требует ASIC-устойчивости.
— Виталик Бутерин, основатель Ethereum.Универсальным решением стало бы создание ASIC-устойчивого алгоритма, для которого нельзя разработать специфическое майнинговое оборудование. Но это заведомо невыполнимая задача.
ASIC-устойчивый алгоритм — это иллюзия, которую некоторые проекты использовали как декларируемое конкурентное преимущество для достижения маркетинговых целей. В свое время разработчики называли задействованные в их проектах алгоритмы Dagger-Hashimoto, Equihash и Х-11 ASIC-устойчивыми. Для каждого из этих алгоритмов в итоге был выпущен ASIC-чип, вследствие чего сроки окупаемости майнеров на видеокартах (так называемых GPU-ферм) повысились в несколько раз.
— Дмитрий Зяблов, основатель BeeMiner.По этой причине разработчики стремятся как минимум оттянуть появление ASIC для их монет или сделать разработку и применение таких устройств менее рентабельными.
Регулярно меняют протокол консенсуса
Самый прямой путь борьбы с ASIC-майнингом — постоянно менять алгоритм консенсуса, чтобы специализированные устройства для майнинга устаревали быстрее, чем производители успеют разработать модель под новый алгоритм.
Каноничный пример — выпуск Antminer X3 для майнинга Monero. Создатели монеты изменили алгоритм еще до того, как устройства дошли до получателей. В подобных ситуациях выгоду получает только производитель оборудования, который майнит на нем, а потом еще и продает. Покупатель находится в заведомо проигрышной ситуации. Конечный пользователь ASIC будет враждебно воспринимать любые изменения алгоритма, так как они враждебны содержимому его кошелька.
— Андрей Великий, эксперт по майнингу и оборудованию.
Повышают требования к памяти устройства
Большинство PoW-алгоритмов требовательны к вычислительной мощности чипа. Поэтому ASIC-чипы обрабатывают вычисления эффективнее, чем интегральные схемы общего назначения. В случае с памятью прирост эффективности ASIC меньше. Скорость обработки будет зависеть от количества блоков памяти, к которым обращается алгоритм, а не от специализированного чипа. Таким образом специализированный майнер для таких PoW-алгоритмов будет подобием GPU-фермы — набором плат памяти, аналогичных RAM в обычном компьютере.
Снижают требования к вычислениям
Если два подхода выше делают задачу производителей ASIC-майнеров сложнее, использование намеренно «простых» для обработки алгоритмов — способ устранить необходимость в сложном дорогостоящем оборудовании. Когда алгоритм одинаково быстро обрабатывается на мобильном телефоне, ноутбуке, GPU или ASIC, теряется смысл в покупке специального устройства.
æternity использует Proof-of-Work на базе алгоритма Cuckoo Cycle. Эта технология основана на использовании псевдослучайных графов, внутри которых алгоритм находит циклы, подходящие по длине или другим критериям.
Кроме æternity, Cuckoo Cycle используют Grin, CodeChain, BitCash, Veres One, Cortex и другие проекты.
В классическом PoW биткоина устройство вычисляет хеш-функции от исходных данных и случайного числа. В Cuckoo Cycle майнер формирует в памяти большой граф — две группы точек-вершин — и ищет способ объединить эти точки в цикл нужной длины. Первый вариант PoW напрямую зависит от мощности вычислительного устройства, второй — от возможности быстро обращаться к произвольным ячейкам памяти.
Модификация Cuckoo Cycle, задействованная в протоколе æternity, занимает больше 7 гигабайт памяти устройства. В такой форме алгоритм применяется для противодействия ASIC-майнингу в пользу GPU и CPU.
Чем закончится борьба с ASIC-майнингом?
Конкуренция между производителями майнингового оборудования и блокчейн-разработчиками — естественный процесс. Пока у сторон сохраняется мотив к борьбе, никому не удастся победить.
Выход из ситуации — решать отдельные проблемы, из-за которых разработчики стремятся замедлить развитие ASIC-майнеров для их алгоритмов. Самая заметная из таких проблем — угроза централизации майнинга.
Пока не каждый желающий может организовать дорогостоящую ASIC-ферму, чтобы иметь шанс добывать востребованные монеты. Хотя отдельный ASIC-майнер можно купить за несколько сотен долларов, износ оборудования, колебания цены криптовалюты и другие факторы увеличивают сроки окупаемости. Добиться децентрализации будет гораздо проще, когда специализированные майнинговые устройства попросту станут дешевле.
ASIC в том виде, что сейчас, тяжелы в восприятии людей. Предположим, AMD и Nvidia стали ставить 2–3 ASIC-чипа в каждое свое устройство. Тогда простота входа действительно будет максимальной. Мне очень нравятся инициативы использования ASIC-чипов в телевизорах, майнинга для отопления и т.д. Но не стоит забывать, что при производстве первых ASIC мы меняем распределение новой эмиссии. В итоге в «гонке вооружений» — покупке и обновлении оборудования — участвует меньше людей, что хуже с точки зрения сетевого эффекта и закона Меткалфа.
— Матвей Сиворакша, CEO Acronym.Systems.Создатели æternity рассматривают несколько вариантов алгоритма Cuckoo Cycle с разными требованиями к вычислительной мощности и памяти, в том числе и дружественные к ASIC.
Тем не менее разработчики æternity не планируют переводить проект на ASIC-дружественную форму алгоритма, пока на рынке не будет больше производителей майнингового оборудования, а устройства не станут доступнее.
Децентрализация майнинга — сложная, если вообще решаемая, задача. Она мало зависит от выбора PoW-алгоритма. Для этого нужно, чтобы в сети ежедневно добывалось много монет. Тогда многие производители ASIC будут заинтересованы в выпуске все более эффективных устройств, и со временем оборудование станет товаром массового потребления.
— Джон Тромп, создатель алгоритма Cuckoo Cycle.До тех пор противодействие ASIC-майнингу останется оправданным.
Я надеюсь, что гонка вооружений и борьба против ASIC-майнеров никогда не закончатся. Именно эта борьба постоянно заставляет конкурировать друг с другом криптовалюты и PoW-алгоритмы. Конкуренция рождает все более совершенные решения. Пожалуй, PoW — худший механизм консенсуса, но лучшего мы еще не придумали.
— Матвей Сиворакша, CEO Acronym.Systems.«Гонка вооружений» мотивирует оптимизацию и удешевление ASIC-майнеров, а рост конкуренции между производителями оборудования — снижение цен на устройства. В таких условиях децентрализация майнинга в присутствии ASIC — вопрос времени.
В оформлении использовался MIFARE-чип из билетов Московского метро. Источник.